曝氣生物濾池生化系統(tǒng)脫氮除磷特性研究

1工藝運行問題氮、磷等養(yǎng)分的過度排放是導致關閉水域、湖泊和緩流中富營養(yǎng)化的重要原因。因此，氮和磷的排放標準日益狹窄（leetal.，2009；彭永定等，2009）。目前，主要的脫氮除磷技術包括a2（厭氧、厭氧、好氧）技術、bardipho（厭氧、好氧、好氧）技術、iut（厭氧、好氧、污泥流入缺氧）和mct（厭氧、氧氣、缺氧）技術。在上述連續(xù)流動過程中，作為一種最簡單的同步脫氮和磷處理方法，廣泛應用于國內外大型廢水處理廠（mercal汾al.，2003；wangetal.，2006）。然而，該工藝在很大程度上仍然存在著缺點。例如，在有機負荷、污泥年和碳源的需求方面，很難同時獲得氮和磷的高效清除，這使得生物脫氮和磷技術的推廣應用（張杰等，2009）。然而，暴露于生物濾池的缺點是，由于建模設計靈活，占地面積小，反清洗頻率高，拆卸困難，且易堵塞（李軍等，2008；李雨飛等，2009），中國城市廢水c.氮比較低。此外，在運營過程中，硝化菌、抗硝化菌和聚磷菌在污泥年中的對抗和抗硝化程度上存在許多矛盾。95%以上的城市廢水處理后，雖然無法達到國家一級a標準，但考慮到這一問題，a2。o.招聘生物濾池生物化學系統(tǒng)結合了兩個優(yōu)點，可以將硝化作用于事情的藍色部分，將硝化作物從藍色部分的處理中分離，將硝化作物硝化作為一個整體進行處理，在短泥齡的條件下實施亞硝化，這并不需要硝化作用，主要充分發(fā)揮其抗磷和抗硝化效果的優(yōu)點。在長泥齡的條件下，生物濾池的運行有利于硝化菌的生長，而不會影響太多的硫酸酯的除磷效果。同時，預處理抗硝化結構可為抗硝化聚磷菌提供適宜的生活環(huán)境，努力解決低氮比生活污水固存的問題（kubatal.，1996；barkatal.，1996?；诖?本文以低C/N比實際生活污水為研究對象,重點考查A2/O-曝氣生物濾池工藝的脫氮除磷特性.同時,通過縮短A2/O工藝的泥齡,實現磷的高效去除;并通過增大內回流比,強化系統(tǒng)的反硝化除磷效果,以實現同步脫氮除磷,最終為該工藝在實際污水廠的推廣應用奠定理論基礎.2試驗材料和方法杏仁2.1預處理系統(tǒng)及控制部分A2/O-曝氣生物濾池生化系統(tǒng)由A2/O反應器、二沉池、曝氣生物濾池(BAF)反應器順序連接組成,試驗裝置如圖1所示.原水箱由聚氯乙烯塑料制作而成,容積為240L.合建推流式A2/O反應器由無色有機玻璃構成,有效容積為30L,均分為9個格室,前2個格室為厭氧段,隨后的3個格室為缺氧段,剩余的4個格室為好氧段.厭氧段和缺氧段采用攪拌器攪拌,好氧段各格室的底端以黏砂塊為微孔曝氣器,采用鼓風曝氣,轉子流量計調節(jié)曝氣量.二沉池采用豎流式,體積為20L.曝氣生物濾池采用上向流,裝填2～3mm粒徑的輕質陶粒填料,底部設有承托層,用黏砂塊作曝氣裝置并鼓風曝氣,轉子流量計控制曝氣量.曝氣生物濾池為圓柱形,內徑D為100mm,填料層高度H為1.67m,有效容積為13L,空隙率r為20%.系統(tǒng)進水流量、污泥回流量、內循環(huán)回流量、曝氣生物濾池進水流量均由蠕動泵控制.生活污水從原水箱首先進入A2/O的厭氧段,同時進入該段的還有從二沉池過來的回流污泥,進行厭氧反應;之后混合液進入缺氧段,同步進入該段的還有從曝氣生物濾池通過內循環(huán)回流來的硝化液,實現脫氮及反硝化除磷;隨后進入好氧段,進行剩余磷的吸收和吹脫氮氣;經過二沉池的澄清作用,含有氨氮的上清液進入曝氣生物濾池,完成硝化反應,出水的一部分回流到A2/O的缺氧段,另一部分排放.2.2試驗階段原水水質特點A2/O內接種污泥為取自北京高碑店污水處理廠的回流污泥.加入種泥后,原生活污水采用連續(xù)進水的方式運行,1周后開始排泥,同時將曝氣生物濾池的出水通過內循環(huán)回流到A2/O的缺氧段,以后逐漸增大進水量直至設計水量,經過1個多月時間的馴化,逐步培養(yǎng)成具有穩(wěn)定脫氮除磷性能的活性污泥.試驗采用北京工業(yè)大學教工住宅小區(qū)化糞池生活污水,試驗期間的原水水質特點見表1.2.3曝氣生物濾池曝氣生物濾池以間歇方式啟動掛膜,每天將活性污泥和生活污水的混合液注入濾池后悶曝氣24h,次日排空后重新注入種泥和生活污水,如此循環(huán)1周后,采用A2/O出水作為曝氣生物濾池進水.連續(xù)運行20d后,氨氮去除率達到80%,1個月之后氨氮去除率幾乎達到100%.圖2為曝氣生物濾池內陶粒填料掛膜前所拍攝的電鏡掃描照片(SEM,HITACHIS-4300,日本日立)以及運行穩(wěn)定后的掛膜照片.從圖2b可以看出,硝化菌以球菌為主,附著生長在填料表面.微生物電鏡掃描掛膜照片和運行結果表明,曝氣生物濾池掛膜良好,對氨氮有徹底、高效的去除效果.2.4污泥濃度測定NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N、TN、TP、COD、混合液污泥濃度(MLSS)按照標準方法測定(APHA,2005);pH、DO和溫度采用WTW340i測定儀(德國)在線測定.2.5d-1的水勢A2/O-曝氣生物濾池生化系統(tǒng)在室溫(25～30℃)條件下運行.A2/O的進水流量為126L·d-1,水力停留時間(HRT)為5.7h,污泥回流比100%,MLSS為3.0g·L-1左右,好氧段DO維持在1～2mg·L-1,厭氧、缺氧段DO為0.1mg·L-1.曝氣生物濾池的HRT為0.5h,DO維持在4～5mg·L-1.2.6鹽堿土的處理在A2/O-曝氣生物濾池生化系統(tǒng)中,聚磷菌和反硝化菌等異養(yǎng)菌泥齡短,硝化菌等自養(yǎng)菌泥齡長.A2/O工藝在短泥齡條件下運行,通過快速排放含磷量高的剩余污泥,實現磷的高效去除.曝氣生物濾池在長泥齡條件下運行,而且污水中絕大部分可降解有機物已在A2/O工藝中得到有效去除,有利于自養(yǎng)型硝化菌的生長及氨氮的高效去除.通過增大內回流比,提高進入缺氧段的硝酸鹽氮負荷,可以充分利用反硝化聚磷菌的反硝化除磷潛力,有利于同步脫氮除磷.基于以上觀點,試驗過程中通過快速排泥將A2/O工藝的泥齡縮短為10d.試驗開始后的第1～21d,內回流比R為200%;第25～45d,內回流比R為250%;第49～65d,內回流比R增大為300%.2.7ucanocano計算根據物料平衡,缺氧段除磷量的計算公式如下:ΔCano=Ceff×QR+Cana(Qin+Qslu)Qin+QR+Qslu?CanoΔCano=Ceff×QR+Cana(Qin+Qslu)Qin+QR+Qslu-Cano式中,ΔCano為缺氧段除磷量(mg·L-1);Ceff為最終出水TP濃度(mg·L-1);Qin、QR和Qslu分別為進水流量、內回流量和污泥回流量(L·d-1);Cana和Cano分別為厭氧段末端和缺氧段末端TP濃度(mg·L-1).2.8do的制備在試驗穩(wěn)定運行期間,根據Wachtmeister等(1997)推薦的方法,計算反硝化聚磷菌占總聚磷菌中的比例.具體方法是:從A2/O好氧段取活性污泥2L,離心分離后用蒸餾水清洗2遍,除去COD;然后用蒸餾水定容至2L,采用乙酸鈉為碳源,使COD為100mg·L-1左右,厭氧反應120min;反應結束后,離心分離,再將活性污泥清洗2遍,除去剩余COD.然后將其等分為2份,1份好氧曝氣,使DO維持在2～3mg·L-1;另1份加入KNO3溶液,使初始NO-3濃度為50mg·L-1左右,缺氧攪拌,反應時間均為120min.缺氧最大除磷速率與好氧最大除磷速率的比值即為反硝化聚磷菌和聚磷菌的比例.3試驗結果3.1cod的去除試驗期間系統(tǒng)內COD的變化規(guī)律如圖3所示.由圖3可知,進水COD在188.0～311.4mg·L-1之間波動,平均進水COD為239.9mg·L-1,平均最終出水COD為34.1mg·L-1,COD去除率為85.8%,實現了有機物的高效去除.系統(tǒng)內COD的去除由A2/O和曝氣生物濾池共同完成,兩者的貢獻率分別為84.5%和1.3%.其中,COD在A2/O中的去除由3部分組成,一部分在厭氧段被聚磷菌存儲于胞內合成聚-β-羥基鏈烷酸脂(PHAs)同時釋磷,另一部分作為缺氧段反硝化脫氮所需碳源,最后一部分用于維持好氧異養(yǎng)菌生長.計算得出,厭氧段、缺氧段和好氧段對COD去除的貢獻率大小分別為73.0%、9.0%和2.5%.3.2內回流比對原生活污水中tn、氨氮、硝酸鹽含量的影響氮在系統(tǒng)中的遷移轉化規(guī)律如圖4所示.由圖4a可知,在整個試驗過程中,生化系統(tǒng)維持了穩(wěn)定的氨氮去除率,系統(tǒng)平均進水氨氮濃度為52.6mg·L-1,平均最終出水氨氮濃度僅為0.2mg·L-1,氨氮去除率為99.6%,系統(tǒng)對氨氮具有徹底的去除效果;系統(tǒng)對TN的去除分為3個階段,第1階段(1～21d)內回流比為200%,平均最終出水TN濃度為17.3mg·L-1,TN去除率為69.7%,出水TN不能滿足國家一級A排放標準;第2階段(25～45d)增大內回流比為250%,平均最終出水TN濃度下降到13.3mg·L-1,TN去除率達到76.9%,比第1階段的去除率比提高了7.2%,能耗相應增加了25%,出水TN濃度能夠滿足國家一級A排放標準;第3階段(49～65d)繼續(xù)增大內回流比為300%,平均最終出水TN濃度為12.9mg·L-1,TN去除率為77.5%,去除率比第2階段僅提高了0.6%,而能耗卻增加了20%,因此,采用內回流比為250%的條件更具有實際意義.對于前置反硝化脫氮系統(tǒng),決定脫氮效果的主要因素有兩個,一個是進入缺氧段的可利用有機碳源的量,包括外碳源和內碳源聚羥基鏈烷酸酯(PHAs),另一個是缺氧段提供的硝酸鹽氮濃度.在內回流比較低時(如200%和250%),原生活污水中可利用的有機碳源經過厭氧段聚磷菌利用之后,還有部分剩余,反硝化菌在碳源充足的條件下,能以這部分有機碳源為電子供體,以硝酸鹽氮為電子受體,進行反硝化脫氮,表現為TN去除率有一個明顯的上升.當內回流比升高到300%時,盡管回流到A2/O缺氧段的硝酸鹽氮負荷增大,但缺氧段可利用的有機碳源有限,故反硝化不徹底,表現為TN去除率比內回流比為250%時僅提高0.6%.吳昌永等(2008)研究指出,當缺氧段用于異養(yǎng)反硝化的有機碳源不足時,反硝化主要靠內碳源PHAs,由于內源反硝化的效率較低,速率較慢,因此,脫氮效率不可能很高.王亞宜等(2008)研究發(fā)現,低C/N比污水要同步獲得良好的脫氮和除磷效果較為困難.圖4b是TN、氨氮和硝酸鹽氮濃度在A2/O-曝氣生物濾池生化系統(tǒng)內的沿程變化規(guī)律(數據均為平均值).由圖4b可知,原水中的氨氮經厭氧段和缺氧段后有所下降,這部分氨氮的下降除了很小一部分用于微生物的同化作用外,大部分由稀釋作用引起(厭氧段污泥回流(稀釋比為100%)和缺氧段內循環(huán)回流,1～21d,稀釋比為200%;25～45d,稀釋比為250%;49～65d,稀釋比300%).經曝氣生物濾池的硝化作用,氨氮轉化為硝酸鹽氮,表現為氨氮濃度大幅度下降(接近0mg·L-1),而硝酸鹽氮濃度急劇增大,平均硝酸鹽氮濃度上升至14.0mg·L-1,硝化效率接近100%;但此時僅是氮形態(tài)上的轉化,只有將硝酸鹽氮回流到缺氧段,通過反硝化作用,氮以氮氣的形態(tài)被吹脫出系統(tǒng),TN濃度才能減少,實現真正意義上的脫氮作用.但從圖4b可以發(fā)現,由于進水C/N比值較低,反硝化可利用有機碳源不足,缺氧段硝酸鹽氮并沒有被反硝化完全,剩余硝酸鹽氮還維持在3.0mg·L-1左右.氨氮在好氧段也有小幅度的降低,主要被好氧異養(yǎng)菌用于同化作用.3.3反硝化除磷系統(tǒng)磷在系統(tǒng)內的沿程變化規(guī)律如圖5所示.由圖5可知,3種內回流比條件下進水TP濃度分別為4.6、5.2和5.7mg·L-1,厭氧釋磷后TP濃度升高至21.6、35.6和35.1mg·L-1,缺氧段TP濃度下降至5.6、2.3和1.4mg·L-1,說明系統(tǒng)存在反硝化除磷現象,經過好氧段除磷,平均最終出水TP濃度分別為0.2、0.1和0.2mg·L-1.根據物料平衡,計算得出3種內回流比時反硝化除磷量分別為5.2、15.2和16.2mg·L-1,即隨著內回流比的增大,反硝化除磷量呈增大趨勢.Hu等(2002)研究發(fā)現,在反硝化除磷過程中,反硝化異養(yǎng)菌和反硝化聚磷菌會爭奪有限的電子受體硝酸鹽氮,反硝化異養(yǎng)菌的反硝化速率是反硝化聚磷菌的3倍,如果進入缺氧段的硝酸鹽氮負荷低于反硝化異養(yǎng)菌的反硝化潛力,那么反硝化異養(yǎng)菌將淘汰反硝化聚磷菌而獨自利用有限的硝酸鹽氮;反之,反硝化聚磷菌將有機會利用過剩的硝酸鹽氮在系統(tǒng)中穩(wěn)定存在.生化系統(tǒng)獨特的運行方式有利于磷的高效去除,主要原因有3個:①硝化菌和聚磷菌的分離使A2/O工藝在短泥齡條件下運行,通過快速排泥實現磷的高效去除;②在理想狀態(tài)下,由于A2/O工藝不承擔硝化功能,回流污泥中不含有硝酸鹽氮,厭氧段成為真正意義上的厭氧環(huán)境,為聚磷菌充分釋磷及合成內碳源PHAs提供了最佳的外界環(huán)境;③曝氣生物濾池在長泥齡條件下運行,有利于硝化效果的穩(wěn)定和氨氮的徹底去除,同時為缺氧段提供了充足的硝酸鹽氮,為反硝化除磷提供了必要條件.低C/N比的水質特點也為反硝化除磷提供了條件.在低C/N比情況下,70%以上的COD在厭氧段被利用,其中,大部分被聚磷菌吸收并合成內碳源PHAs;進入缺氧段,反硝化異養(yǎng)菌可利用的有機碳源有限,這樣就會刺激反硝化聚磷菌利用內碳源PHAs進行反硝化,同時過量吸磷,實現了“一碳兩用”.3.4反硝化聚磷菌dpaos比例聚磷菌厭氧釋磷、好氧/缺氧吸磷規(guī)律如圖6所示,計算得出反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例為40.5%,進一步證實了系統(tǒng)中存在反硝化除磷現象.4內回流比的確定1)A2/O-曝氣生物濾池生化反應系統(tǒng)在泥齡為10d的條件下,可把硝化過程從A2/O工藝中分離出去,讓曝氣生物濾池實現硝化,A2/O在短泥齡